Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen Untersuchungen struktureller Eigenschaften komplexer Bornitrid-Systeme. Die Rechnungen basieren auf einem Dichtefunktional- Tight-Binding-Verfahren. Die interatomaren Potentiale fuer das heteronukleare System sowie die Wechselwirkung mit Wasserstoff werden in Anpassung an ab-initio-Daten abgeleitet. Mit ausfuehrlichen Testrechnungen an theoretisch wie experimentell gut charakterisierten Systemen wird gezeigt, dass die Tight-Binding-Potentiale die mannigfaltigen Bindungstypen in BN-Systemen richtig beschreiben. Im Hauptteil der Arbeit werden in Anwendung der Methode experimentell relevante Fragestellungen untersucht. Zunaechst werden die Rekonstruktionen verschiedener Kristalloberflaechen des kubischen Bornitrid (c-BN) berechnet. In Anlehnung an experimentelle Ergebnisse wird die Grenzflaeche zwischen kubischem und hexagonalem BN hinsichtlich ihres atomaren Aufbaues und ihrer energetischen Stabilitaet untersucht. Eine ausfuehrliche Diskussion struktureller Eigenschaften von amorphen Bornitrid-Modellen folgt im Anschluss. Die Betrachtung von Modellen unterschiedlicher Massendichte ermoeglicht es, Rueckschluesse auf grundlegende Mechanismen der Strukturbildung kristalliner Phasen zu ziehen. Der Einbau atomaren Wasserstoffs in verschiedene Bornitrid-Kristallgitter wird im abschliessenden Abschnitt untersucht. Weiterhin wendet sich die Arbeit ternaeren Materialien (Bor-Kohlenstoff-Stickstoff) zu. Es werden Stabilitaet und strukturelle Eigenschaften von kubischen BC2N-Kristallen diskutiert. Die gezeigte Anwendbarkeit der Methode auf derartige Materialien eroeffnet zugleich Perspektiven fuer kuenftige Arbeiten.

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Lumineszierende Nanopartikel auf Basis von β-NaSEF4-Verbindungen (SE=Seltene Erden), die das Phänomen der Aufwärtskonversion zeigen, werden weltweit intensiv untersucht, da unter anderem Anwendungen in den Bereichen Fluoreszenzmarkierung in der Biologie, Sicherheitstinte und Photovoltaik möglich sind. Obwohl viele Syntheseverfahren für nahezu monodisperse Partikel beschrieben wurden, sind die Syntheseparameter, die die Keimbildung und damit die Größe der Partikel bestimmen, weitgehend unklar. In dieser Arbeit wird auf Basis eines drastisch vereinfachten Syntheseverfahrens für β-NaSEF4 -Partikel gezeigt, dass der erste Parameter die Gesamtoberfläche des in der Synthese zugesetzten (oder intermediär gebildeten) NaF-Feststoffs ist. Der zweite Parameter ist die Wahl des Seltenerdions selbst, wobei die Zahl der gebildeten Keime an β-NaSEF4-Partikeln von Gd nach Lu stark und von Gd nach Sm schwach abnimmt. Diese Abhängigkeit vom Seltenerdion erklärt auch den Einfluss einer Dotierung mit anderen Seltenerdionen auf eine Partikelgröße. Werden die in dieser Arbeit bestimmten Syntheseparameter so gewählt, dass möglichst geringe Keimbildung auftritt, kann das Verfahren nicht nur zur Synthese sehr großer β-NaSEF4-Partikel verwendet werden, sondern auch vorteilhaft zur Umhüllung von β-NaSEF4-Partikeln mit einer aus zum Beispiel β-NaYF4, die die Fluoreszenzeigenschaften des β-NaSEF4-Kerns deutlich verbessern.

In LAS-Glaskeramiken, die besondere Verbreitung bei Anwendungen als Kochfläche, Brandschutzglas und Bauteil für präzise Optik gefunden haben, werden vorrangig die Keimbildner TiO2 und ZrO2 eingesetzt. Transparente Glaskeramiken weisen jedoch eine mehr oder weniger starke Gelbfärbung auf, die vorrangig aus dem Einsatz von TiO2 zusammen mit unvermeidbaren Fe2O3-Verunreinigungen resultiert. Die Minimierung dieser Gelbfärbung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prüfung, inwiefern die Verringerung der Eigenfarbe einer transparenten LAS-Glaskeramik durch Ersatz des färbenden Keimbildners TiO2 durch einen weniger färbenden Keimbildner möglich ist, ohne dass das gute Keimbildungsvermögen beeinträchtigt wird. Verschiedene alternative Keimbildner zu TiO2 wurden stets in Kombination mit ZrO2 hinsichtlich Keimbildungsvermögen und Färbung/Transmission untersucht sowie andere Kerneigenschaften im Vergleich zu der Standardkeimbildnerkombination TiO2/ZrO2 diskutiert. Signifikante Vorteile bzgl. Eigenfarbe und Transmission gegenüber dem TiO2/ZrO2-gekeimten Referenzmaterial konnten nur bei der Keimbildnerkombination SnO2/ZrO2 gefunden werden. Die Transmission ist mit 89% statt 87% beim Referenzmaterial höher, die Eigenfarbe ist mit dem Farbort a*/b* = -0,1/+2,3 deutlich näher am Unbuntpunkt als die Referenz a*/b* = -0,6/+5,1, der Yellowness Index reduziert sich von 9,5 auf 4,6. / LAS-glass ceramics, which are widely-used as cooktop panels, fire protection glasses and precise optical devices, are commonly doped with TiO2 and ZrO2 as nucleating agents. Transparent glass ceramics show a more or less intense yellow coloring, which is mainly caused by the use of TiO2 together with unavoidable Fe2O3 contamination. The reduction of yellowness becomes more important. Object of the dissertation is the investigation, whether the yellowness could be reduced by substitution of the coloring TiO2 by a less coloring nucleating agent. Thereby, the nucleating power should be maintained. Several alternative nucleating agents have been tested regarding the nucleating power, coloring/transmission as well as other key properties. The second nucleating agent ZrO2 remained basically unchanged. The results have been compared with the commonly used nucleating agents TiO2 and ZrO2. Significant advantages concerning coloring and transmission have exclusively been found with the combination of SnO2 and ZrO2. The transmission of 89% is higher than reference of 87% and the coloring is definitely lower (a*/b* = -0.1/+2.3 instead of a*/b* = -0.6/+5.1), the yellowness index could be reduced from 9.5 down to 4.6.

This work deals with the sintering of multi-material composites. It aims at the establishment of an alternative to the existing complex models for sintering. The development of the associated experimental procedure is also included in this work. The developed material model must be able to predict (i) the sintering kinetics and (ii) the viscous moduli of a material. An experimental approach with free sintering and hot-forging measurements is favoured in this work. The prediction of the sintering kinetics is addressed with the construction of a map of sintering kinetics data: the Master Sintering Diagram (MSD). The MSD is based on a generalized equation for solid-state diffusion, thus is suitable for any thermal activated diffusion. The MSD allows the prediction of sintering kinetics for a large range of temperatures and external loads. A novel approach to the determination of the viscous moduli is developed in this work: the cyclic unloading method. It is a hot-forging measurement (sintering under uniaxial compression) where the applied load is released for short periods. The measurements are carried out with continuous heating, so that the viscous moduli are determined over large ranges of temperatures and densities. The advantage of this method is the measurement of the viscous moduli in anisotropic microstructures. The material model is validated in two steps. Firstly, the predictions of sintering kinetics with the MSD are compared with experimental results: changes of thermal profile and changes of load are predicted with a maximum deviation of 10%. Secondly, the experimentally determined viscous moduli are used for the prediction of a bi-layer curvature using models for warpage from literature. The prediction is qualitatively good for a maximum deviation of 27%. The study of a sintering glass-ceramic tape on a rigid substrate is presented. It shows that this co-sintering problem can be qualitatively investigated with requirement of the material model. The formation of anisotropy intrinsic to the hot-forging experiments is also reported in this work. It appears to be a important point to address in the future for a better understanding of the cosintering. / Die vorliegende Arbeit behandelt das Thema Kosintern. Ziel ist, die bisher verwendeten komplexen Sintermodelle durch ein einfacheres Verfahren zu ersetzen. Zusätzlich wird ein Messverfahren entwickelt, um die zur Beschreibung des Kosinterns erforderlichen Messdaten zu erhalten. Der experimentelle Ansatz beinhaltet Sinterungen ohne Last sowie mit einachsiger Belastung. Das Verfahren ermöglicht die Vorhersage (i) der Sinterkinetik und (ii) der viskosen Moduli. Um den Sinterpfad von Grünkörpern vorhersagen zu können, wird ein Kennfeld verwendet: das Master Sintering Diagram (MSD). Das MSD wird durch eine allgemeine Gleichung für das Festphasensintern definiert und lässt sich damit für alle thermisch aktivierten Diffusionsmechanismen anwenden. Die Vorhersage gilt für breite Bereiche von Temperaturen und äußeren Lasten. Eine neuartige Messmethode für die Erfassung der viskosen Moduli wird in der Arbeit entwickelt: das cyclic unloading dilatometry. Sie besteht in Hot-forging Versuchen mit konstanter Last, bei denen die sinterenden Proben regelmäßig für kurz Zeit entlastet werden. Die Versuche werden mit konstanter Aufheizrampe durchgeführt, so dass die viskose Moduli für breite Bereiche von Temperaturen und Dichten erfasst werden. Ein Vorteil dieser Messmethode ist es, die viskosen Eigenschaften von anisotropen Materialien messen zu können. Das Vorhersageverfahren wird in zwei Schritten geprüft. Erstens werden Vorhersagen vom MSD mit experimentellen Daten verglichen: die maximale Abweichung bei Änderung der Temperaturrampe und der ¨außeren Last liegt bei 10%. Zweitens werden die viskose Moduli aus dem MSD zur Vorhersage der Krümmung eines Zweischicht-Systems verwendet. Dazu wird ein in der Literatur beschriebenes Modell verwendet. Die qualitative Vorhersage ist gut: die maximale Abweichung zur experimentellen Krümmung liegt bei 27%. Zusätzlich wird eine Studie über ein Zweischicht-System aus Glas und Keramik vorgestellt, bei dem die Keramik nicht sintert. Es wird gezeigt, dass dieser Fall ohne Hilfe des Sintermodells qualitativ verstanden werden kann. Die Entwicklung der Anisotropie in der Mikrostruktur der keramischen Grünkörper durch die anisotrope Last beim Sintern wird diskutiert. Das volle Verständnis der anisotropen Mikrostrukturentwicklung beim Sintern unter anisotropen Randbedingungen erfordert weitere Arbeiten.

In dieser Arbeit wird der Einfluß von exo- und endocyclischen isolobalen Substitutionenin A4E3, P5E2X, beta-P4E3IR und alpha-P4E3XY untersucht (A=P und/oder As, E =S und/oder Se, X=Halogen, R=CHI2, Y=Halogen.) Die einzelnen Verbindungsklassen wurden synthetisiert und die 31P und 77Se-NMR-Werte bestimmt. Die ermittelten 31P/77Se-NMR-Daten und die 31P/77Se-NMR-Daten aus der Literatur bildeten die Grundlagen zur Untersuchung des Einflusses der isolobalen Substitution. Dazu werden die Elektronegativität der Liganden, Bindungswinkel und die 31P/77Se-NMR-Parameter miteinander in Beziehung gebracht. Dabei wurde ein linearer Zusammenhang zwischen Bindungswinkeln und chemischer Verschiebung bzw. Kopplungskonstanten in den A4E3-Verbindungen beobachtet. Des weiteren konnten lineare Zusammenhänge zwischen der Elektronegativität der exocyclischen Liganden (meist Halogene)und bestimmten NMR-Werten gefunden werden. Beide Phänomene konnten zurückgeführt werden auf den s-Anteil der Bindungen und/oder die Elektronendichte der betrachteten Kerne. Des weiteren wird eine Übersicht der Präparationsmethoden und eine einheitliche Benennung der Kerne in den Phosphorchalkogengerüsten vorgestellt. Die 31P/77Se-NMR-Daten der vorgestellten Phosphorchalkogenide werden im Anhang nach Strukturklassen geordnet aufgeführt (ca. 500 Verbindungen). Keywords: Phosphor, Selen, Schwefel, Iod, Brom, Chlor, Arsen, NMR, 31P, 77Se, Tetraphosphortrisulfid, P4S3, alpha-Tetraphosphortrichalkogendihalogenid, alpha-P4S3I2,beta-Tetraphosphortrichalkogendihalogenid, beta-P4S3I2, Pentaphospordichalkogenhalogenid, P5S2I, Elektronegativität, Hybridisierung, Fermi-Kontakt-Term

Carbon nanotubes (CNTs) and graphene (G) are the two (semi-)conducting allotropes of carbon offering a very high surface to bulk ratio. When combined with electrochemistry and using the principles of molecular self-assembling, many new applications of CNTs and graphene have become feasible, e.g. in the field of molecular electronics, as energy storage materials and for drug delivery. In this work scanning probe microscopy techniques (STM, AFM and EC-AFM) are used to understand the structure of self-assembled organic and electroactive molecules, oligomers and polymers on the surface of CNTs and graphene, and to rationalize their function as supramolecular system in the macroscopic world. It was found that there is a strong tendency for self-assembling in solution of aromatic electrophores with HOMO/LUMO levels close to the semiconducting CNT frontier orbitals. The tunneling currents through the aromatic guest molecules on CNT are much higher than for the same molecule on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). In the 1st chapter of this thesis the different microscopic techniques used with special emphasis on the electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM), a relatively new combination technique which plays an important role in this work, are presented. It is followed by the structural analysis of stiff, semi-flexible and flexible oligo-viologen on CNTs. Using a large set of molecules with well defined small structural differences allowed to study how the superstructure (guests@CNT) is determined by the tiny changes in the guest structure. Mostly helical super structures of guests around the CNT host were observed. The guest’s rod length, its side chain length and its flexibility translate unambiguously into the corresponding STM images. A non-linear, star shaped oligo-viologen cannot wrap CNT without overlapping star branches, as expected from model considerations. In collaboration with a Korean research group we were able to build an n-doped FET using a reduced rigid oligo-viologen@CNT. Along with the oligomer the formation of stiff poly-viologens@CNT and poy-imides@CNT are studied. As compared to the oligomers@CNT, the polymers@CNT have less conformational freedom when wrapping a CNT. Thus, exclusively double to multi stranded helical wrapping was observed. An interesting new phenomenon was discovered with stiff poly-viologen or poly-naphthaline tetracarboxylic acid diimide with purely sp2 configured atoms, i.e. an outer, large diameter helical structure of “the guest” polymer and a CNT “host” sitting inside the spiral. The spiral diameter was simulated using PM7 calculations. The CNT can be moved within the large spiral by voltage pulse application. Subsequently, the conformation of flexible poly-viologens and poly-TEMPO on host materials such as CNTs and vapor grown carbon fibers (VGCF) was studies. Again, helical wrapping is observed, but the diameter adapts here to the CNT diameter. Monomer subunit resolution was achieved in case of polyTEMPO. The practical importance in energy storage is discussed in the corresponding original paper. The next chapter of thesis focuses on AFM imaging of a new battery material, i.e. poly-ferrocene on graphene oxide (PVF@GO) and on reduced graphene oxide (PVF@rGO), as well as poly-viologen as PV@GO and PV@rGO. A highlight is definitely the visualization of the so-called ion-breathing, i.e. the reversible counter ion movement from solution into the battery material composite upon electrochemical reduction/oxidation. To the best of my knowledge, this phenomenon is for the first time visualized here by a combination of electrochemistry and AFM. STM analysis of electrically conductive rGO allows for subunit resolution of polyviologen@rGO sitting in partially 2D crystalline structure on rGO. In the last chapter, my publication on the drug delivery system doxorubicin at carbon nanotubes is described. Dox@CNT is already used as drug delivery system in animal tests, but little is known on the structure of the drug on the carrier, and a reductive release trigger has so far not been identified. Rich structural variations of the drug on the CNT (helical strands of monomers and dimers) were found. It is possible to get the drug loading efficiency from STM image analysis. Reductive release of Dox@CNT was also unknown so far. Electron injection into Dox@CNT from an electrode or from the biological reducing agent glutathione (GSH) leads to irreversible release of Dox. Experimental results are in excellent agreement with semi-empirical simulations.

Die Synthese und Charakterisierung von lanthanoid-dotierten Upconversion Nanopartikeln erlangte auf Grund der möglichen Anwendung dieser Nanopartikel im Bereich des Biolabeling große Aufmerksamkeit. Der Upconversion-Effekt ermöglicht eine Konvertierung von energiearmem NIR-Licht in energiereiches sichtbares Licht. Anregung mit niedriger Anregungsintensität eliminiert den Autofluoreszenzhintergrund in biologischen Materialien. Voraussetzungen für die Nutzung von NaYF4-Nanopartikeln als biologische Markierungssubstanzen sind eine geringe Größe, eine schmale Größenverteilung und eine hohe Fluoreszenzintensität. Eine Analyse des Syntheseablaufs zeigt, dass es während der Synthese zu einem Sol-Gel-Sol-Übergang der Reaktionslösung kommt, bei dem im Gel zuerst Nanopartikelvorstufen entstehen. Beim Erhitzen der Reaktionslösung bilden sich die Nanopartikel (kubische Phase) und gehen langsam in Lösung über. Eine Reaktionsdauer von 16 Stunden ist für den Abschluss des Partikelwachstums erforderlich. Das Aufbringen einer undotierten Schale auf die Yb,Er-dotierten Kern-Partikel führt zu einer 50-fachen Steigerung der Fluoreszenzintensität. Das Wachstum von Kern- und Kern-Schale-Partikeln wird durch die Verwendung verschiedener Natrium- und Fluoridquellen nicht beeinflusst. Allerdings führt eine Stabilisierung der Lanthanoid-Ionen mit EDTA zu hexagonalem NaYF4, dessen makrokristallines Material für eine intensiv grüne Fluoreszenz bekannt ist. Werden Pflanzen (Orchideen, Acker-Schmalwand) mit einer wässrigen kolloidalen Lösung der Partikel gewässert, so können die Partikel in den Blättern und dem Spross der Pflanzen detektiert werden. Laser-Scan-Mikroskopische Aufnahmen belegen die Aufnahme der Partikel durch die Wurzeln der Pflanzen. Im Rahmen eines BMBF-Projektes wurden außerdem erste Versuche mit und an Mäusen durchgeführt, die die Eignung der Upconversion-Partikel als Tumorzellenmarker zeigen.

The main objective of this thesis was the design and synthesis of perylene bisimide dyes with sufficient water-solubility for the construction of self-assembled architectures in aqueous solutions. Beside these tasks another goal of this project was the control over the self-assembly process in terms of aggregate size and helicity, respectively. Within this thesis an appropriate synthesis for spermine-functionalized perylene bisimide dyes was developed and conducted successfully. The characterization of these building blocks and their course of self-assembly were investigated by NMR, UV/Vis and fluorescence spectroscopy as well as by atomic force and transmission electron microscopy. For the better understanding of the experimental results theoretical calculations were performed. / Ziel dieser Dissertation war das Design und die Synthese von Perylenbisimiden mit hinreichender Wasserlöslichkeit, die für den Aufbau von selbständig assemblierten Strukturen in wässrigen Lösungen verwendet werden sollen. Ein weiteres Ziel dieses Projektes war die Kontrolle über den Prozess der Selbstanordnung hinsichtlich der Aggregatgröße beziehungsweise deren Helizität. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine entsprechende Synthese für Spermin-funktionalisierte Perylenbisimide entworfen und erfolgreich durchgeführt. Die Charakterisierung dieser Bausteine und der Prozess deren Selbstanordnung wurde mit Hilfe von NMR-, UV/Vis- und Fluoreszenz-Spektroskopie aber auch mit Rasterkraft- und Elektronentransmissionsmikroskopie durchgeführt. Für das bessere Verständnis der experimentellen Ergebnisse wurden theoretische Berechnungen durchgeführt.

In der vorliegenden Arbeit wurde zum einen das Koordinationsverhalten von Lewis-Basen an die Lewis-aciden Borzentren der symmetrisch konfigurierten 1,2-Dihalogendiborane(4) des Typs B2R2X2 (R = NMe2, Mes, Dur, tBu; X = Cl, Br, I) und des unsymmetrisch 1,1 substituierten Diborans(4) F2BB(Mes)2, sowie die Eigenschaften und die Reaktivität der erhaltenen sp2–sp3 Diboran(4)-Verbindungen untersucht. Zum anderem wurde die Fähigkeit des 1,1-substituierten Diborans(4) F2BB(Mes)2 zur oxidativen Addition der B–F- bzw. B–B-Bindung an Bisphosphan-Platin(0)-Komplexe untersucht. / The present work focuses on two different reactivities of diboranes(4): a)the coordination behaviour of Lewis bases to the Lewis-acidic boron centres of symmetrical 1,2-dihalodiboranes(4) of the type B2R2X2 (R = NMe2, Mes, Dur, tBu; X = Cl, Br, I) and the unsymmetrical 1,1-dimesityl-2,2-difluorodiborane(4) F2BB(Mes)2, furthermore the properties and reactivity of the prepared sp2–sp3 diboranes(4) were investigated, and b)the oxidative addition of 1,1-dimesityl-2,2-difluorodiborane(4) towards low-valent bis(phosphine)platinum precursors.